基于SWMM的白鹭湖排水分区海绵公园试评估

黄瑜琪

(贵阳建筑勘察设计有限公司，贵州 贵阳 550000)

1 引言

随着我国城市化进程的加快，城镇区域土地利用现状显著改变，地表不透水面积大幅增加，改变了原有的水文规律，导致建成区地表径流系数增加、洪峰流量增大、地表汇流时间缩短、洪峰时间提前，引发城市洪水内涝灾害[1～3]，而建设海绵城市的重要途径之一是实现低影响开发的雨水管理模式(LID)，通过源头小规模、分散式的控制措施对雨水进行综合管理，以确保场地开发后的水文功能保持其开发前的状态[4]。近年来，国家也在大力推广海绵城市建设，明确建设目标并进行海绵城市试评估。

本文以白鹭湖排水分区作为典型排水分区，利用SWMM建立暴雨雨水管理模型，评价不同降雨条件下地表径流状况、路面积水控制与内涝防治及实施LID措施前后地表径流污染物削减率等3个方面。

2 材料与方法

2.1 研究区概况

白鹭湖公园位于贵阳市观山湖区，于2017年建成开放，该排水分区汇水面积为1.73 km2，整体地形地貌为四周高，中间低，东西横贯1.1 km，南北横贯1.9 km，项目地块下垫面主要类型为商业用地、居住用地、工业用地、广场、绿地、水域等。该汇水区内部分降雨地表径流入白鹭湖，部分进入阳关排水干线后进入小湾河。

2.2 研究区SWMM模型建立

2.2.1 研究区排水系统模型概化

通过实地勘察调研典型排水分区地形地势及地下管线资料，将改排水分区内的排水管网进行模型概化。每个排水子区域对应一个排水节点，排水区域的支管不进行水力计算，可以直接删除，仅保留街区内的主干管。由于排水分区面积不大，认为各汇水子区域降雨条件相同。

图1 研究区区域位置

根据模型概化原则，将该排水分区划分为30个子汇水区域，各个子汇水区域通过地表径流就近汇入附近的管网节点(J)，因此管网节点(J)概化为31个、31段管段、4处出水口。

2.2.2 降雨条件确定

本次降雨量采用贵阳市暴雨强度公式计算，选用芝加哥雨型对雨量进行时程分配，共选取了8种不同降雨条件，分别为P=0.5、1.0、3.0、5.0、10、25、30、50a,降雨历时120 min，时间步长5 min，r=0.40。

2.2.3 参数率定与验证

本次SWMM模型参数分为确定性参数和不确定性参数两种，确定性参数包含汇水区域面积、坡度、漫流宽度、不透水面积与透水面积比例、管径、管道长度等，以上参数均通过现场调查和资料分析所得，不确定性参数包含下垫面曼宁系数、洼蓄量、下渗参数等主要通过参考相关文献、模型用户手册[5～8]预取值，地表产流模型采用Horton模型，地表汇流模型采用非线性水库模型模拟，输送系统的水量模拟采用动态波方式模拟。

图2 研究区排水系统模型概化

对研究区内路面、屋面、绿地等下垫面进行降雨径流水质模拟，水质指标涉及TSS、COD、TN、TP等4种污染因子，其中污染物累积模型采用饱和函数累积方程描述，污染物冲刷模型采用指数函数冲刷方程，输送系统的水质模拟采用完全一阶衰减模型，相关参数仍通过相关文献、周边地区特点预取值所得。

为保证模型模拟的准确性和真实性，以实测数据对其进行率定和验证，在研究区域市政雨水井、雨水排口设置了流量计及水质SS在线监测仪，实地检测降雨径流过程，本次选取了2020年6月23日，白鹭湖附近雨量站实测降雨进行了分析研究，总降雨历时200 min，总降雨量9.4 mm。分别对水质、水量模型中预估参数进行校准与验证。采用试错法(Trial and error)进行参数校准与验证，利用Nash-Sutcliffe系数Ens作为检验模型准确性及适用性的率定评价标准。经过反复调整参数，使得模拟值与实测结果更加接近，经率定后，实测与模拟的出水口流量、水质Nash-Sutcliffe系数Ens均大于0.80，认为构建的水质、水量模型可行。

此时水量模型的最终参数确定为：透水、不透水区的最大洼蓄量分别为6.20 mm和1.40 mm，地表曼宁系数N值分别为0.14和0.013，管道的曼宁系数N值为0.013，无洼蓄水不渗透性占不透水性的50%。Horton模型的渗透参数分别确定为：最大入渗率16.8 mm/h、最小入渗率7.2 mm/h、入渗衰减率为4。水质模型的最终参数确定为清扫频率为1天1次，去除率为75%，雨前旱天为7 d。

3 模型模拟评价结果

3.1 地表径流状况模拟评价

根据上述对8种不同降雨条件下的地表径流进行模拟评价，随着总降雨强度的增加，径流系数也在增大，但是入渗量占降雨量的比例在逐渐减小。具体径流系数变化趋势如图3所示。

因此该排水分区内存在大面积的不透水区域，造成下渗量对降雨强度的敏感性减弱，随着降雨强度的增加，大量雨水进入排水管网系统，管网负荷越来越重，内涝风险也越来越大。

图3 不同降雨条件下地表径流系数变化

3.2 路面积水控制与内涝防治模拟评价

按照《室外排水设计规范》(GB50014-2006)(2016年版)及贵阳市中心城区排水系统总体规划的要求，该排水分区内，雨水管渠设计重现期P=3年，内涝防治设计重现期P=50年，且道路积水深度不超过15 cm。

3.2.1 节点洪流状况分析

该排水分区内，当P》5a时，区域会出现节点洪流，随着降雨强度的增大，发生节点洪流的节点越多，降雨强度从P=5a增加到P=50a时，发生节点洪流的个数从1个增加到了11个。，在P=5a、10a、25a、30a、50a的降雨情景中，洪流量最大的节点均为J12，说明J12在此排水管网中是最大的“瓶颈”，除自身因素外，出水口管径可能过小都是引起洪流的最大原因(图4)。

图4 不同重现期下节点洪流状况分析

3.2.2 管道运行状况分析

根据模拟，与节点洪流状况类似，当P》5a时，区域内会出现管道超载，随着降雨强度的增大，出现管段超载的数量也在增多，其中，降雨强度从P=5a增加到P=50a时，发生管道超载的数量从1根增加到了12根。

其中满流时数最长为6、7、26管段，由于该处管道为排水口处的主干管网，各处支线管网水流最终汇流至该管段，致使该管段水流量最大，排水任务最终，同时受管径制约，导致该管段超载运行时数最长(图5)。

图5 不同重现期下管道满流状况分析

3.2.3 路面积水及内涝评价

根据上述对不同降雨条件下排水分区内节点洪流及管道超载分析，按照SWMM模型中提供了一个蓄水池模型，并且在处理蓄水池模型时提供了积水面积—积水深度曲线和泄水量—积水深曲线，将两组曲线的计算公式联立即可绘制出积水面积随积水深度变化的曲线。具体不同重现期下路面积水深度及面积表如表1。

表1 不同降雨条件下路面积水分析

由表1可知，P=3年时，未出现积水。P=50年时，排水分区内最大积水深度为38 cm，积水面积为1537.51 m2。

3.3 实施LID措施前后地表径流污染物削减率评价

本次排水分区内设置有生态雨水边沟、透水铺装、屋顶绿化、植被缓冲带等4种LID措施。

随着降雨强度的增大，对地表污染物的冲刷有增强，将实施LID措施前后地表径流污染物负荷进行对比可知，实施LID措施后，不同降雨条件下，该排水分区内，TSS的地表径流污染削减率约为7.27%；COD的地表径流污染削减率约为5.14%；TN的地表径流污染削减率约为2.51%；TP的地表径流污染削减率约为1.57%(图6)。

图6 不同重现期下地表径流污染物削减率变化

4 结论

(1)该SWMM模型经率定与验证后，能有效模拟白鹭湖典型排水分区地表径流、内涝防治、污染物削减等重要特征，模拟真实性和准确性较高。

(2)随着重现期的增大，地表径流系数也在增大，但增大比例在降低。

(3)该白鹭湖排水分区可满足室外排水规范中P=3a的雨水管渠设计标准，但不满足P=50a内涝防治标准。

(4)实施LID前后TSS的地表径流污染削减率约为7.27%，远小于40%，不满足要求，建议后期增加初期雨水径流污染控制措施。